[发明专利]一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的整形系统及整形方法

说明书

本发明公开了一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的整形系统，其包括从流程上呈上下游关系布置的至少3个磨粉整形机，其中每个磨粉整形机都包括可在内衬圈(11)内旋转的转盘(12)，转盘(12)的一个侧面上均匀树立着6‑18个锤头(13)，其中第一磨粉整形机(4)的第一锤头(413)的横截面是矩形，其中第二磨粉整形机(8)的第二锤头(813)的横截面是圆角矩形，其中第三磨粉整形机(9)的第三锤头(913)的横截面是圆形。本发明还公开了使用上述整形系统将天然石墨粉整形成圆饼状或椭圆饼状的整形方法，以及使用这样形貌的石墨粉制备核燃料元件球来减少甚至消除芯球和外壳层间物理界面的方法。

技术领域

本发明属于粉体工程领域，更具体地，属于石墨粉体整形系统及整形方法。

背景技术

高温气冷堆是我国具有完全自主知识产权的第四代核电站燃料堆，其具有堆芯出口温度高(850～1000℃)、热效率高(40％～41％)，燃耗深(最大高达20MWd/t铀)，转换比高(0.7～0.8)等优点。其中使用的核燃料元件结构如下，参见图1：将铀氧化物微粒用碳化硅包覆后得到直径约0.9-1mm左右的燃料铀颗粒1022，然后将大量该燃料铀颗粒均匀分散在基体石墨1021中，得到直径为50mm的核燃料芯球102，在芯球外层再包覆厚度为5毫米的石墨壳层103，最终制备出直径为60毫米的球形核燃料元件(也称核燃料元件球)101。芯球和壳层均通过准等静压技术压制而成。

国内外大量研究工作结果表明，高温气冷堆燃料元件的基体石墨原料配方由64％的天然石墨粉、16％的人造石墨粉及20％的酚醛树脂黏结剂组成时性能最佳。在球形核燃料元件中，基体石墨材料的作用主要有：(1)结构支撑作用，基体石墨作为包覆铀氧化物燃料颗粒的载体，使其均匀弥散在其中，基体石墨还赋予燃料元件足够的机械强度，使燃料元件可以承受施加的各种负荷，安全地在堆芯中循环。(2)中子慢化作用，核裂变反应产生的快中子与石墨基体材料接触，通过与碳原子的碰撞，被慢化为热中子，继续引发链式反应。(3)导热作用，核裂变产生的热能需要通过基体石墨向外传导给氦冷却剂，才能被有效利用。基体石墨的导热能力强，可以降低燃料颗粒核心的温度，提高反应堆的安全性。

其中最外面的那一层石墨壳体是整个核燃料元件球的保护壳层，避免燃料球在运输过程中和在堆内运动过程中内层芯球的损坏，避免放射性物质的裸露。

天然石墨粉体作为基体石墨的主要原料，也是基体石墨研制的难点，其物理特性、化学特性、工艺性能的稳定性直接影响着球形燃料元件的各项性能指标。

世界各国对核安全都有极高的要求，相应的核燃料元件球制造采用非常严格的HAF003标准质量控制体系，以确保核燃料元件球质量的“万无一失”。因此，满足检测标准的石墨粉体需要按照特定工艺制成核燃料元件球成品并检验合格。其中一项重要的指标是“落球强度”。落球强度测试过程如下：将一个待测核燃料元件球至于测试台中央，将同一批次的其余核燃料元件球从4m高的高处依次自由下落到该测试核燃料元件球上，彼此发生正碰，考察待测核燃料元件球的石墨壳层开始裂纹、破碎或脱落时所经历的碰撞次数，通常要求此次数大于50次方为合格。

现有技术中，已经有专利研究石墨粉体的制备方法。例如CN108787131A，其依次使用初级粉碎、粗磨处理、细磨整形的工艺步骤，将人造石墨材料制成外形呈类球体的粉料，粒径为32-100um。又例如CN109794324A，其中提到了一种破碎整形一体机及其工作锤头，用于生产类球形石墨粉体颗粒。之所以将石墨粉体颗粒的形状制成类球形，是因为本领域技术人员一直以来认为：石墨，无论是天然石墨还是人造石墨，都是多层状物质，在破碎和磨粉过程中，如果不加以刻意控制，最容易粉碎成具有毛刺棱角的片状颗粒，而这样具有毛刺棱角的片状颗粒在等静压加工过程中会因颗粒间架桥而造成空洞，影响核燃料元件的密度和辐射防护性，而类球形石墨粉体因其宏观上各向同性性质和圆滑表面，可以减少颗粒间的架桥线性，提高松装密度，提高核燃料元件的密度和强度。